海南胶园土壤酸碱缓冲性能研究

井玉丹 林清火 郭澎涛 刘海林 王家宝 罗微

摘 要 为探明海南省橡胶园土壤酸缓冲性能及其影响因素，采用酸碱滴定法对海南省植胶区代表性的5种类型土壤进行测定。结果表明：供试土壤pH处于4.58～6.69，平均为5.53。当pH3.5～6.0时，土壤缓冲体系为初级缓冲体系，不同类型土壤酸缓冲能力相差较大，土壤中有机质含量、阳离子交换量、粘粒含量等因素起主要的缓冲作用，各胶园土壤酸缓冲容量均较小（pHBC=7.50～20.62 mmol/kg）。当pH<3.5时，土壤缓冲体系为次级缓冲体系，各土壤缓冲能力急剧增强，且在同一pH阶段，各土壤酸缓冲能力相差较小。可见，海南省土壤大多属于酸性，土壤酸缓冲能力差，不同土壤之间土壤酸缓冲性能相差很大，土壤有机质含量、阳离子交换量、粘粒含量等土壤理化性质是影响土壤酸缓冲作用的主要因素。

关键词 海南；橡胶园土壤；土壤酸缓冲能力；土壤酸缓冲容量

中图分类号 S714.2 文献标识码 A

Soil Acid Buffer Performance of Rubber Plantation in Hainan

JING Yudan1，2， LIN Qinghuo2， GUO Pengtao2， LIU Hailin2， WANG Jiabao2， LUO Wei2*

1 College of Agronomy， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China

2 Rubber Research Institute， CATAS/Key Laboratory of Ministry of Agriculture for

Rubber Biology and Genetic Resource Utilization， Danzhou， Hainan 571737， China

Abstract The aim of this paper was to explore the soil acid buffer performance of rubber plantation in Hainan Province and to find main factors associating with this performance. The acid-base titration determination was used to analyze soil samples collected from the five typical soil types of Hainan Province. Results showed that soil pH ranged from 4.58 to 6.69， with an average of 5.53. When pH3.5-6.0， soil buffer system was the primary buffer system. Different soils differed significantly in soil acid buffer abilities. However， the soil acid buffer capacities were small（pHBC=7.50-20.62 mmol/kg）. Soil organic matter， cation exchange content， and clay contents were the main factors in regulating soil buffer abilities. When pH<3.5， soil buffer system was the secondary buffer system. The soil buffer capacities increased dramatically， and differed slightly between different soil samples. In conclusion， most soils were acidicin Hainan Province. Different soils differed greatly in the soil acid buffer ability. However， the soil acid buffer abilities were rather small for most soils. Soil physical and chemical properties were the main factors influencing soil acid buffer abilities， such as soil organic matter， cation exchange content， and clay contents.

Key words Hainan；Soil of rubber plantation；Soil acid buffer ability；Soil acid buffer capacity

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.02.021

土壤酸化是土壤退化的一种具体表现形式，随着大气污染致使酸沉降的增加和不合理的农业措施，中国土壤酸化面积逐年增加[1]。土壤酸化会促使土壤中有毒离子的活度增加，大量盐基离子淋失，土壤肥力降低，致使作物无法正常生长，从而带来了粮食安全、农田无法可持续利用及一系列的环境生态问题。土壤酸化取决于土壤的pH值、酸的输入量和土壤对酸的缓冲能力[2]。当土壤中有酸性物质进入时，土壤有阻止其pH值变化的能力，即土壤对酸的缓冲能力[3]。土壤的缓冲能力一般用土壤缓冲容量表示，土壤缓冲容量可以预测土壤酸化过程及其趋势，并对土壤质量评价具有重要意义[4]。Bricker等[5]研究结果表明，阳离子交换的缓冲过程反应十分迅速，但缓冲能力较小，矿物风化缓冲能力强，缓冲过程却十分漫长。Aitken等[6]对100多种酸性土壤进行了酸碱滴定，结果表明，pH值在4.0～7.0范围内，土壤pH值与酸碱加入量呈明显的线性相关，并用滴定曲线斜率的绝对值代表此范围内土壤的酸碱缓冲容量。廖柏寒等[7]就不同土壤对酸沉降的缓冲机制进行了研究，结果表明，在不同的pH阶段，土壤中对酸起缓冲作用的物质不同。张永春等[8]通过室内模拟的研究方法，将酸沉降和施氮量对土壤酸化的影响进行了对比，结果表明，施氮量远大于酸沉降对土壤酸化的影响。

海南省是中国主要的植胶区，其土壤属酸性或强酸性，基性矿物强烈风化，土壤养分含量低。近年来，由于胶园不当的经营管理，过度使用酸性肥料致使土壤的pH值下降了0.5个单位，加剧了土壤酸化[9]。本研究对海南省13个农场的胶园土壤酸缓冲性能及其影响因素初步探究，为胶园土壤的合理利用、预测和调控土壤酸化提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

海南岛（108°30′43″～111°2′33″E，18°10′04″～20°0′40″N）地势中高周低，梯级结构明显，地貌类型多样。该地区地处热带季风气候区域，年总降雨量充沛，年平均降雨量为1 500～2 000 mm，时空变化大，东湿西干，酸雨频率平均为24.5%，降水平均pH值为5.28，土壤主要类型为砖红壤[10-11]。

1.2 方法

1.2.1 土壤采集与测定 以海南省植胶区典型的5种土壤类型为研究对象[12]，分布于13个农场区域（见图1）。每个农场按蛇形取样法挖取土壤（0～20 cm），取10个点混合均匀，四分法取混合土样，共13个土壤样品。带回实验室自然风干、研磨，过1 mm土壤筛备用。采用pHS-3C型数字式酸度计测定土壤pH；土壤有机质（SOM）含量采用重铬酸钾氧化法测定；土壤机械组成采用吸管法测定；土壤游离铝采用氟化钾取代EDTA容量法；土壤游离铁采用DTPA浸提—原子吸收分光光度法测定；土壤全量铁采用高氯酸—硝酸—氢氟酸消化—原子吸收分光光度法测定；土壤阳离子交换量（CEC）采用乙酸铵交换—原子吸收分光光度法测定[13-14]。

1.2.2 土壤酸缓冲能力测定 分别取17只玻璃烧杯，依次编号，每烧杯中取5 g土壤样品于50 mL玻璃烧杯中，在1～9号烧杯中分别加入0.3、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 mL已标定的0.1 mol/L HCl溶液， 在10～16号烧杯中加入0.3、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0 mL已标定的0.1 mol/L NaOH溶液，17号烧杯中不加酸碱，加入无CO2 蒸馏水使各烧杯中总体积达25 mL（5 ∶ 1），同时做仅加去离子水的空白处理， 所有处理均重复1次。土壤悬液振荡1 h后，恒温25 ℃培养，期间每天用力往复摇匀一次，平衡7 d后用复合电极测定土壤pH值。

1.2.3 土壤酸缓冲容量计算 土壤酸缓冲容量计算参照张永春等[15]的研究方法，对酸缓冲曲线线性部分进行分析，以pH为纵坐标，酸加入量为横坐标，建立线性方程式为：

pHBC=[（5-a）/b]-[（6-a）/b]

式中：pHBC为试验结束时的酸碱缓冲容量；a为截距；b为斜率。

1.3 数据处理

采用SPSS13.0和Excel软件对测定结果进行统计分析和作图。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值描述性分析

土壤pH的高低直接体现了土壤酸化的程度[16]。在海南省不同典型农场地理区域取土壤0～20 cm深度土样，测定其pH，结果见表1，pH范围为4.58～6.69，平均值为5.53，强酸性土壤（pH<5.0）有3个，酸性土壤（pH5.0～6.5）有7个，中性土壤（pH6.5～7.0）有3个。土壤基本理化性质的测定结果见表1。

2.2 土壤酸碱缓冲曲线

土壤酸碱缓冲曲线是土壤对酸碱缓冲能力变化的直观体现，缓冲曲线的斜率越小、越平缓，则表明在这个范围内土壤对酸碱沉降的缓冲能力越强，反之，缓冲曲线的斜率越大、越陡峭，表明土壤的缓冲能力越弱[2]。本研究对海南省13个农场中5种母质形成的砖红壤进行滴定分析，结果表明，不同农场土壤的酸碱缓冲能力变化趋势相似。从图2-A中可发现，在pH2.0～9.0的范围内，13个农场土壤的酸碱缓冲曲线均呈明显的反S形，但不同农场土壤的酸碱缓冲曲线斜率均不相同，说明不同农场土壤的酸碱缓冲能力存在差异。任取一个农场的土壤酸碱滴定曲线为代表进行说明，在pH3.5～6.0范围内，缓冲曲线近似呈一条直线（拟合直线方程为：y=-0.104 7x+5.211 4，R2=0.962 0），在此范围内，土壤缓冲能力较弱，土壤酸缓冲曲线在pH=3.5和pH=6.0附近各出现一个拐点，在pH<3.5和pH>6.0区间开始缓慢下降和上升（图2-B），这表明土壤酸碱缓冲能力急剧增强。

2.3 土壤酸缓冲容量

土壤酸缓冲容量是指使单位土壤改变一个单位pH所需要的酸量[14]。有研究结果表明[6]，在突跃范围内，可把土壤酸碱滴定曲线近似的视为直线，即土壤pH与酸碱的加入量呈线性相关。从图2-A中可看出，13条土壤缓冲曲线在pH3.5～6.0范围内均近似为直线。因此，本实验在此pH范围内，对13个农场的土壤酸碱缓冲曲线斜率相近的部分进行局部拟合计算，拟合方程及土壤酸碱缓冲容量见表2。由表2可知，13个农场的土壤酸碱缓冲容量有较大差异，红明农场的土壤酸碱缓冲容量最大（pHBC=20.62 mmol/kg），红泉农场的土壤酸碱缓冲容量最小（pHBC=7.50 mmol/kg），大部分农场的pHBC在10.0 mmol/kg左右。

2.4 土壤缓冲能力的影响因素

本实验在pH3.5～6.0区间内，分别对不同农场土壤酸碱缓冲容量与土壤pH、土壤有机质含量、土壤阳离子交换量、粘粒含量、游离铁、氧化铁和游离铝进行相关分析，结果见表3，在pH3.5～6.0的范围内，土壤酸碱缓冲容量与初始土壤pH值呈负相关，但相关性不大，即在此阶段，土壤酸缓冲容量受初始土壤pH值的影响不大；而土壤酸缓冲容量与土壤有机质含量、粘粒含量、游离铁、氧化铁和游离铝均呈极显著正相关，与土壤阳离子交换量呈显著正相关，即随着土壤有机质含量、土壤阳离子交换量、粘粒含量、游离铁、氧化铁和游离铝含量的增加，土壤酸碱缓冲容量也会随之增加。

3 讨论

Slattery等[17]认为土壤不同的理化性质会导致土壤酸缓冲能力不同。成土母质对土壤酸化的影响不容忽视，相关研究结果表明，在相同的人类活动影响下，花岗岩红壤酸化程度高，其次是第四纪红壤，酸化程度最低的是紫色土[18]。以玄武岩为母质的砖红壤，黏粒含量较高，是其机械组成的主要部分；而以花岗岩为母质的砖红壤，其颗粒组成较粗[19]。成土母质不同，其土壤质地、阳离子交换量、盐基离子和有机质含量也不同，酸化程度因此存在差异[20]。本结果的供试土壤是由不同母质形成的砖红壤，其养分、矿物组分和机械组分都有所不同，因此，土壤酸性及其对酸的缓冲能力也不相同，其中，以玄武岩为母质的砖红壤土壤酸碱缓冲性最强，缓冲容量最大，但不同农场土壤的酸碱缓冲能力变化趋势相似。

Nelson等[21]研究结果发现土壤在不同酸度条件下，土壤对酸的缓冲能力不同，本研究得到相似结果，土壤酸缓冲性在pH3.5附近发生突变。Ulrich[22]将土壤酸碱缓冲体系划分为碳酸钙（pH8.6～6.2）、硅酸盐（pH>5.0）、阳离子交换（pH4.2～5.0）及铝（pH<4.2）、铁（pH<3.85）缓冲体系，各缓冲体系间存在一定的交叉。按照这一标准划分，本研究供试土壤主要是硅酸盐、阳离子交换、铝和铁体系，即供试土壤在 pH3.5～6.0范围时，土壤胶体上吸附的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等可交换态阳离子最先与H+进行交换，土壤盐基离子因此大量流失；在这个过程中，H+与土壤中的固相的铝化合物发生反应，使Al3+释放，从而使土壤中可溶性Al3+大量增加，Al3+被土壤胶体吸附，土壤表面吸附点位减少，以致盐基离子加速淋失，并产生铝毒害[23]；土壤中的Fe2O3与H+反应，大量Fe3+进入土壤溶液；此外，有机质中的胡敏酸（HA）分子中含有的大量的活性官能团，如酚羟基（-OH）、羟基（-COOH）等[24]，这些官能团以阴离子存在时，H+可与其发生缔合反应，从而对外源酸起到缓冲作用。由于中国南方地区绝大部分酸性土壤pH处于3.5～6.0，因此本研究的测定和方法具有实际意义。相关研究结果表明[25]，红壤酸化会致使土壤对阳离子的吸附能力减弱，对阴离子的吸附能力增强，对磷的固定能力增强，并且使土壤中重金属离子的活性增高等一系列问题，从而破坏土壤化学平衡及降低土壤肥力。廖柏寒等[7]将土壤缓冲体系分为初级缓冲体系和次级缓冲体系。阳离子交换在初级缓冲体系中起主要作用，土壤矿物风化在次级缓冲体系中起主要作用，初级缓冲体系反应速度快，持续时间短且缓冲能力弱；次级缓冲体系反应速度缓慢，缓冲时间长且缓冲能力强。本研究供试土壤pH随着酸滴定量的增加，在pH3.5附近，土壤酸缓冲曲线发生突变，土壤缓冲能力显著增强，即初级缓冲体系转变为次级缓冲体系。陈照喜等[26]相关研究结果也证明，土壤酸度不同时，土壤的缓冲过程也不相同，并发现红壤对酸沉降的缓冲作用以次级缓冲体系为主。相关研究结果表明[2，7]，次级缓冲体系供试土壤影响土壤酸缓冲容量的主要因素为土壤矿物质的风化。矿物风化可产生盐基离子用以缓冲土壤中的H+，使土壤的酸度维持在一个稳定的阶段，但矿物风化是不可逆过程，会对土壤造成永久性的损害，一旦矿物风化完全，土壤缓冲性能将完全丧失。没有哪一种土壤化学性质会如同酸碱平衡这样对土壤其他性质发生如此广泛而深刻的影响，这便是土壤酸化问题值得严重注意的根本原因[25]。近年来的研究结果表明，在土壤中施用秸秆生物质炭不仅可增加土壤阳离子交换量，改善土壤酸性，而且可增加土壤酸缓冲容量[27]。因此，建议胶园施肥时，配施有机肥和生物质炭，而合适的配施比例有待进一步研究。

4 结论

海南橡胶园土壤大多属酸性，在pH3.5～6.0范围内，土壤酸缓冲能力较差。海南各橡胶园土壤酸碱缓冲容量（pHBC）有比较大的差异，其中红明农场的土壤酸碱缓冲容量最大（pHBC=20.62 mmol/kg）， 红泉农场的土壤酸碱缓冲容量最小（pHBC=7.50 mmol/kg），前者约为后者的3倍，其他胶园土壤酸碱缓冲容量大多处于10.0 mmol/kg左右。海南橡胶园土壤酸缓冲作用主要受土壤有机质、土壤阳离子交换量、粘粒、游离铁、氧化铁以及游离铝的影响，随着土壤有机质含量、土壤阳离子交换量、粘粒含量、游离铁、氧化铁和游离铝含量的增加，土壤酸碱缓冲容量会随之增加。

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